ESD保護部品のパフォーマンスを引き出す回路設計｜静電気の見える化

チップバリスタ/セラミック過渡電圧サプレッサ

TDKでは、ESD(Electro-Static Discharge)により機器を故障・誤動作から守る積層チップバリスタをラインナップしており、お客様でのESD問題解決に貢献して参りました。
しかし、昨今、従来までは効果が見られた積層チップバリスタ製品が、お客様の機器の小型・軽量化や高機能化に伴い、十分な保護効果が得られない場合が発生しております。
そこで、この原因を調べるために、お客様の機器の小型化を想定したESD試験を行いましたので、ご紹介致します。

背景

5G化により機器間の相互連携・リアルタイム通信が実現し、あらゆる機器に、小型・軽量化、低消費電力化、高機能化、長時間稼働、高信頼性、EMC耐量向上など、より高品質な設計が求められています。
自動車や産業機器、医療機器といった大型機器と、スマートフォン、VR、ドローンなどの小型モバイル機器では、機器の基板設計や筐体設計が異なります。小型モバイル機器では、基板のサイズを大きくできないため、ESDが侵入しやすく、また、ESDを逃がすためのGNDパターンや筐体も不安定な場合が多く、ESD対策が難しい機器の一つです。
TDKでは電圧保護素子としてバリスタ(酸化亜鉛)とアレスタ(放電管)の両方を幅広くラインアップ。小電流から大電流まで様々な用途にご使用いただけます。
本記事で紹介するESD試験は、下図の製品マップに載せているESD対策用チップバリスタを使用します。製品をクリックすると詳細がご覧になれます。

実験概要

概要動画1

【実験の目的】: GNDパターン設計の異なるPCBを用い、ESD印加時にESD保護部品を介してGNDパターンにESDをバイパスさせる様子を、ESD可視化装置によって確認します。
【想定した状況】: ・機器の小型化により、基板サイズを大きくできない。; ・GNDパターンを広く取ることができない。; ・基板のGNDパターンは、金属筐体には接続されていない。

【実験水準】

【実験に使用する基板】: 材質：FR4
設計：2層基板
厚み：1.6mm
Cu厚み：40um

ESD可視化装置について

ESD可視化装置とは、ESD(Electro-Static Discharge :静電気放電)の流れを非接触の磁界プローブで自動走査させ、ESD電流の可視化を行うことができる装置です。

基板のGNDパターン設計

本実験は、2層基板(おもて面：信号パターン、裏面：GNDパターン、おもて面のGNDパターンはViaを介して裏面に接続)を用いて行います。
裏面のGNDパターンは、それぞれ面積が異なっており、①パターンが狭い(10x20mm)、②パターンが広い(85x50mm) の2種類を用意しています。

実験 - セッティング

基板おもて面の信号パターンとGNDパターン間にチップバリスタを配置します。 GNDパターンは、金属筐体やアースGNDから分離されています。
この状態で、IEC61000-4-2条件のESD 1kVを、信号パターン上に印加します。

実験 - 測定結果

GNDパターンが狭い場合、ESDはバリスタを通過し信号パターンへ拡散していきます。一方、GNDパターンが広い場合、ESDはチップバリスタを介してGNDパターンへバイパスされます。これは、信号ラインに対するGNDパターンのインピーダンスの大小によるものです。 GNDパターンが狭い場合、GNDパターン側のインピーダンスが高くなるため、チップバリスタを介してESDをバイパスすることができません。

実験 - GNDパターンサイズとインピーダンスの考え方

実験 - ESD対策方法の改善

GNDパターンが狭く、チップバリスタのESD抑制効果が得られない場合、GNDパターンを金属筐体に接続することにより、チップバリスタのESD抑制効果を引き出すことができます。

MLCCの効果: MLCC 0.1uFは、ESDに対し低インピーダンス特性を示すため、GNDパターンと金属筐体の間をMLCCで接続することによって、GNDパターン(MLCCを介した金属筐体を含む)全体では、下図のように低インピーダンスを示します。これにより、GNDパターンの大きさによらず、ESDはチップバリスタを経由してGNDパターン(MLCCを介した金属筐体を含む)にバイパスされます。

✔ ESDは、チップバリスタを経由してGNDパターン側へバイパスされている。

実験結果のまとめ

GNDパターンが金属筐体やアースGNDから浮いている場合のESD対策: 小型電子機器やモバイル機器では、回路のGNDパターンが、金属筐体やアースGNDと分離している設計が多くみられます。このようなケースでも、回路のGNDパターンを極力広く取ることで、チップバリスタのようなESD保護部品のパフォーマンスを発揮させることができます。
一方、GNDパターンを広く取れない場合は、ESD保護部品のESD抑制効果が得られない場合があり、ESDの回路内への侵入リスクが高まります。
しかし、機器の筐体とGNDパターンの設計を見直すことで、 ESD保護部品のパフォーマンスを発揮させることができる可能性があります。
ESD保護部品を介してバイパスされるGNDパターンのインピーダンスを下げる回路設計を取ることで、より効果的なESD対策回路が実現できます。

ESDトラブルのデバッグ

オシロスコープとアッテネータを使って、信号ラインのESDの振舞いを測定する場合: 実験-1と同様のセッティングにおいて、ESDの振舞いを、ESD可視化装置ではなく、オシロスコープとアッテネータを用いて確認します。

✔ GNDのパターンの大きさによらず、ESDはチップバリスタを流れず、アッテネータ(50Ω)側へ侵入しGNDへバイパスされた。
(参考波形のような、チップバリスタによるESD電圧の抑制波形は確認できなかった。)
✔ 先の実験では、GNDパターンが広い場合、チップバリスタを介してGND側にESDをバイパスする様子が確認されたのに対し、
オシロスコープによる波形確認では、GNDパターンの大きさによらず、チップバリスタによるESD抑制波形は確認できなかった。
✔ ESD波形を確認するための測定系の接続によって、基板上を流れるESDの振舞いは異なる結果となった。

ESDトラブルのデバッグの際、波形確認のために、プローブやアッテネータを接続する場合、測定系によってESDの経路に影響を与える可能性があるため、注意が必要です。
ESD可視化装置は、プローブ等の接続が不要で非接触で測定が可能です。